Kilka prostych zasad określa, w jaki sposób pływające tratwy ognistych mrówek zmieniają kształt w czasie

Mrówki ogniste są biblijnym przykładem zachowania grupowego, potrafią działać jako jednostki, a także łączyć się ze sobą, tworząc pływające tratwy w odpowiedzi na powodzie. Teraz para inżynierów mechaników z University of Colorado w Boulder zidentyfikowała kilka prostych zasad, które wydają się rządzić tym, w jaki sposób tratwy pływające mrówki ogniste kurczą się i rozszerzają swój kształt w czasie. nowy papier Opublikowano w czasopiśmie PLOS Computational Biology. Istnieje nadzieja, że ​​dzięki lepszemu zrozumieniu prostych zasad odpowiedzialnych za zachowanie mrówek ognistych mogą opracować lepsze algorytmy kontrolujące interakcje między rojami robotów.

Nie jest to kwestia siły psychicznej czy starannego planowania. „To zachowanie może wystąpić zasadniczo spontanicznie” – powiedział współautor Robert Wagner. „Mrówki nie muszą koniecznie podejmować żadnych centralnych decyzji”. W rzeczywistości „pojedyncze mrówki nie są tak inteligentne, jak mogłoby się wydawać, ale zbiorowo stają się bardzo inteligentnymi i odpornymi społecznościami” Współautor Frank Fernery powiedział:.

tak jak my Wspomniałem wcześniej, kilka dobrze rozmieszczonych mrówek zachowuje się jak pojedyncze mrówki. Ale spakuj ich wystarczająco blisko, a będą zachowywać się jak jedna jednostka, wykazując właściwości stałe i płynne. Może tworzyć tratwy lub wieże, a nawet można go wylać z czajnika jako płyn. Mrówki ogniste doskonale sprawdzają się również w organizowaniu swoich mrówek Przepływ ruchu.

Każda mrówka na własną rękę ma pewną hydrofobię – zdolność do odpychania wody – i to Nieruchomość została skondensowana Związane razem splatają swoje ciała jak wodoodporną tkaninę. Zbierają wszelkie jaja, przedostają się na powierzchnię przez swoje tunele gniazdowe, a gdy wody powodzi się podnoszą, będą skubać swoje ciała żuchwami i pazurami, aż utworzy się płaska struktura przypominająca tratwę, w której każda mrówka będzie działać jak pojedyncza cząsteczka w substancji – powiedzmy, ziarenka piasku w kupie piasku.

Mrówki mogą to osiągnąć w mniej niż 100 sekund. Ponadto tratwa mrówek „samolecząca się”: jest na tyle silna, że ​​jeśli mrówka zgubi się tu i tam, ogólna struktura może pozostać stabilna i nienaruszona, nawet przez wiele miesięcy. Krótko mówiąc, tratwa mrówek to superorganizm.

W 2019 roku naukowcy z Georgia Tech Udowodnij to Mrówki ogniste mogą aktywnie wykrywać zmiany sił działających na tratwę w różnych warunkach płynów i odpowiednio dostosowywać swoje zachowanie, aby tratwa była stabilna. Na przykład przy sile ścinającej powierzchnia tratwy była znacznie mniejsza niż wtedy, gdy mrówki napotykały tylko siłę odśrodkową. Ostatnie mrówki doświadczają bez względu na to, gdzie są umieszczone na mrówczej tratwie, podczas gdy tylko mrówki na granicy doświadczają najsilniejszej siły ścinającej. Naukowcy postawili hipotezę, że małe tratwy są wynikiem prób ominięcia granicy przez mrówki, zmniejszając tym samym powierzchnię.

Zespół Georgia Tech zauważył również, że mrówki ogniste na tratwie dalej badają, czy tratwa jest nieruchoma, zwykle rozkłada się poziomo, ale także pionowo, aby zbudować tymczasowe konstrukcje przypominające wieżę w nadziei na znalezienie wiszącej gałęzi, która mogłaby wyschnąć. . Ziemia. Byłoby znacznie mniej zachowań eksploracyjnych, gdyby tratwa mrówek obracała się w odpowiedzi na siły odśrodkowe lub siły ścinające.

Nowe badania Vernereya i Wagnera opierają się na: badanie Wydali w zeszłym roku. Przeprowadzili eksperymenty, wrzucając hordy mrówek ognistych do wiadra z wodą z pionowym plastikowym prętem pośrodku, a następnie obserwując zachowanie mrówek podczas budowania tratwy przez następne osiem godzin. Pomysł polegał na obserwowaniu ewolucji tratw w czasie. Zauważ, że pontony nie zachowały swojego kształtu. Czasami struktury są skompresowane w gęste kręgi mrówek. Innym razem mrówki zaczynają się rozprzestrzeniać, tworząc przypominające mosty przedłużenia, czasami używając ich do ucieczki z zagrod, co sugeruje, że zachowanie może służyć przewadze ewolucyjnej.

Duet był zafascynowany tym, jak mrówki osiągają te zmiany kształtu w procesie, który nazwali „młynem”. Pływaki składają się głównie z dwóch odrębnych warstw. Mrówki w dolnej warstwie pełnią funkcję konstrukcyjną, ponieważ tworzą stabilną podstawę tratwy. Ale mrówki w górnej warstwie poruszają się swobodnie po ciałach przyczepionych do swoich braci w dolnej warstwie. Mrówki czasami przemieszczają się z warstwy dolnej do warstwy górnej lub z warstwy górnej do warstwy dolnej w cyklu, który Wagner nazywa „błędnym kołem w kształcie koła”.

Vernerey i Wagner chcieli ustalić, czy to zachowanie na bieżni było świadomą decyzją mrówek, czy też pojawiło się spontanicznie. Opracowali więc serię modeli czynnikowych składających się z 2000 cząstek („czynników”) reprezentujących każdą pojedynczą mrówkę, ograniczonych do sieci węzłów wodnych. Jedna grupa mrówek robotnic (zaznaczona na niebiesko) tworzyła strukturalną sieć rdzeniową; druga mrówki robotnice (pokazane na czerwono) mogą się nad nimi poruszać.

Mrówki są zaprogramowane do przestrzegania prostego zestawu zasad, takich jak unikanie kolizji z innymi mrówkami i nie wpadanie do wody („zasada osadzania się na krawędzi”). Potem pozwolili na symulację. Symulowane mrówki zachowywały się bardzo podobnie do swoich odpowiedników w świecie rzeczywistym.

Na przykład, gdy aktywne mrówki robotnice dotrą do krawędzi tratwy i wejdą w kontakt z wodą, unikają poruszania się w wodzie, chyba że są do tego zmuszone przez znajdujące się w pobliżu aktywne mrówki robotnice — i to tylko wtedy, gdy jest wystarczająco dużo mrówek wspierających konstrukcję. przejąć go. Symulacje wykazały również spontaniczne formowanie się mostków, a naukowcom udało się skorelować te formacje ze względną aktywnością mrówek. Im bardziej aktywne są mrówki, tym bardziej prawdopodobne jest, że zaczną się tworzyć guzki.

„Mrówki na końcach tych ostróg są prawie odsunięte od krawędzi do wody, tworząc szybki, rozluźniający efekt” – powiedział Wagner. Te wychodnie są prawdopodobnie środkiem używanym przez mrówki ogniste na tratwie do eksploracji swojego środowiska, prawdopodobnie w poszukiwaniu pni drzew lub suchego lądu.

Autorzy doszli do wniosku: „Chociaż czynniki wskazujące, takie jak feromony, nie są wykluczone i powinny zostać przetestowane w przyszłych badaniach eksperymentalnych, model ten ogólnie przedstawia lokalne mechanizmy, dzięki którym mrówki ogniste mogą osiągnąć chód i wzrost cietrzewia bez centralnej kontroli lub celowego zamiaru”. Przyznają jednak, że jest to jednorodny model i prawdopodobnie istnieje więcej niż jeden zestaw reguł rządzących zachowaniem bieżni i pojawianiem się ostróg – kolejny cel ich badań w przyszłości.

DOI: PLOS Computational Biology, 2022. 10.1371 / czasopismo.pcbi.1009869 (O DOI).